基于開源硬件的電子實習教改初探

摘要：本文針對大學工程訓練中心電子實習教學中學生創新思維培養的問題進行探討，根據已有教學經驗和實踐教學，提出基于Arduino開源硬件平臺的電子實習教學新方案。經過教學試講，本教學方案的課堂反應效果明顯，對于提高非電類專業學生對電子實習的學習興趣具有明顯提升作用。

關鍵詞：電子實習；實驗教學；Arduino

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）22-0039-04

電子實習是高等學校電類專業教學計劃中的一個重要環節，是高等學校電子與電工技術課程教學的重要組成部分。它為學生的理論聯系實際提供重要的實踐活動，使學生能夠了解并初步掌握一般電子產品的生產制作、調試與研制開發過程，并從中學到有關新技術、新工藝方面的知識和基本技能。電子實習課程的關鍵在于培養學生分析問題、解決問題的能力，提高學生的實際動手能力。學生在其中獲得的感性認識可以為學習電子與電工技術課程、其他相關課程，以及后續電子產品制造與創新設計工作奠定基礎。傳統的電工和電子實習課程，已經足夠重視實習中的動手能力。但高校的電子實習課程在過去的近10年中一直保持固定不變，與目前電子產品的快速更新換代脫節。目前的電子實習課程包括基礎焊接訓練、簡單的電子設備組裝訓練、完成晶體管收音機的元器件識別、篩選、測試、焊接、組裝和調試過程，這些是多數大學電子訓練課程選擇的主要實踐方法。這些訓練已經不能反應當前電子產品技術的進步，雖然在一定程度上能夠達到培訓學生的動手能力的目的，但導致學生缺乏興趣，在實習中敷衍了事，因此不能引導和促進學生創新能力的培養。教學實踐內容和現代電子產品的脫節將導致兩方面的問題。首先，盡管作為目前電子實習課程主體的晶體管收音機仍然是世界上存在最廣泛的電子設備，但隨著電子技術、計算機技術和封裝工藝的飛速發展，其所涉及的技術在工科電子類教學中所占比例正在不斷減少，這減弱了對專業課程學習的支撐。其次，為降低實驗難度，教學中使用的設備只具有單一的功能，與現有廣泛使用的、功能強大的移動設備相比難于激發學生的興趣。同時，教學內容陳舊、模式固化也限制了學生的創新能力培養。怎樣使電子實習能夠激發不同專業學生的學習興趣，同時培養大學生的創造能力是現代高校電子實習課程亟待解決的問題。

針對目前這些問題，很多高校通過引入各種新型設備、建設新的創新實驗室等措施提供后續的電子實習課程。這些課程為學生提供特定的創新實驗平臺，使其熟悉一些單片機和PLC系統的開發基礎和技巧。但是受限設備成本，難于滿足大多數學生的需求，且設備不易更換。近年來，隨著開源運動的發展，開源思想從最初的軟件領域逐步拓展到電子、機械領域。在帶來各種創新的同時，也降低了相應設備的成本。本文通過引入開源硬件Arduino到現有的電子實習訓練中，作為當前教學的有效補充，同時探索現代大學生電子實習教學的改進方向。

一、Arduino簡介

Arduino是一套能用來實現傳感和控制電路的開發工具，它由一個安裝微處理器核心電路板和不同外圍設備構成。作為一套電子開發套件，Arduino核心通過USB接口與電腦相連，采用類似Processing的語言進行應用開發，因此具有易學易用的特點。受到開源運動的影響，Massimo Banzi和David Cuartielles等人在2005年設計了最初的Arduino硬件，并將其設計資料公布于網絡上。開源促進了Arduino本身的發展，截至目前為止，Arduino已經發布了近13個不同的版本，其應用范圍涵蓋從無人飛機到快速成型機等各個領域。已經成為一個新興地、并且飛速發展的硬件開發平臺。使用Arduino可以方便的構建通過傳感器感知外界環境（比如溫度、壓強、濕度、顏色等等），并且當外界環境發生變化時，可以按照預先設定的程序通過控制馬達、制動器、繼電器等對環境進行干預?？梢允褂肁rduino開發單獨電子功能模塊，也可以設計在運行時與電腦互動的應用。因此Arduino可以用于開發交互產品，例如支持外部開關、溫度傳感器、紅外傳感器等信號的讀取，控制各式各樣的LED電燈模塊、觸摸屏控制、蜂鳴器、電機和其他各種支持輸入輸出的物理設備。整個Arduino電子實驗平臺的成本可以控制在幾百元之內，可以組裝形式多樣的功能模塊，包括PWM調控燈亮度實驗、交通燈設計實驗、搶答器設計實驗等十幾種電子工作平臺。而且隨著各種Arduino社區的不斷發展，可以得到低成本的技術支持。對于訓練使用者的基礎技能，激發其創造性具有非常好的價值。Arduino支持多種操作系統Windows、Macintosh、Linux，開發系統配置簡單編程語言易學易用，具有電路設計經驗的同學能夠根據自己的設計思路設計新的模塊，可以對其擴展或改進，開發獨具特色的計算機與Arduino的交互平臺。沒經驗的同學可以根據課堂講解迅速掌握系統開發的技巧。對于工科院校的老師而言，Arduino易于理解和使用，適用于各類專業學生，因此是最合適教學設備之一。

二、實驗課程

本文利用Arduino電子平臺的開放性、低成本和易用性等優勢，在電子實習課程中加入一個新的教學環節，以彌補電子實習中創新力度不夠的問題。鑒于學生的參與教學過程的程度對能力培養的重要性，整個課程被設計為演示和實踐兩個部分。首先以開源平臺Arduino為基礎，結合計算機接口技術，為學生提供體現電子產品特點和發展趨勢的電子實驗課程。其次，在學生掌握電子的知識、數字電路和模擬電路的基礎上，通過老師的對電子平臺的講解和實驗演示，在實踐環節中將自己所掌握的電路知識實踐化。學生可以根據自己的想法任意設置電路，編寫簡單的程序，通過計算機控制整個電路運行過程。由于這個平臺安裝簡單可以反復使用，像積木可以隨意組合任意搭配，極大的提高了它使用性能，使學生積極參與到教學過程中，對電子電路方面知識得到最大限度的運用，同時動手能力和創新能力得到了鍛煉。

演示環節中包含兩個實驗，分別為傳感器電路和燈光控制電路。前者利用所搭建的傳感器電路通過USB口與計算機相連，將外部數據顯示在網頁中。而后者則提供計算機控制接口，通過網頁控制外部搭建的LED燈光。在后續的實踐環節，學生將在這兩個電路的基礎上自行擴展，并可以修改程序改變輸入輸出的參數和控制方法。以下將對實驗平臺和實驗設計進行詳細介紹。

（一）演示環節

在演示環節安排的兩個實驗按照難易程度進行安排。第一個傳感器電路演示了計算機如何讀取外部傳感器電路的信息。實驗以簡單的電路向學生展示基本元器件的識別、檢測和連接方法，同時介紹Arduino的安裝、使用和開發的基本知識。第二個燈光控制電路則在第一個實驗的基礎上，演示了如何構造計算機控制的外圍電子功能模塊。為增加實驗的趣味性和實用性，這兩個實驗都計算機中運行的瀏覽器作為顯示和控制終端。

1.傳感器電路。傳感器是測量物理量的主要手段，在現代智能控制中占據非常重要的地位。如圖1所示本實驗演示設計為傳感器電路，接口服務和瀏覽器界面三個部分，演示了以光線傳感器控制LED燈光亮度，并將當前亮度數據通過USB接口送入計算機，并在網頁界面中動態顯示。

傳感器電路由LED燈、光敏電阻、10千歐、470歐、面包板和面包板跳線搭建，可獨立運行，同時將傳感器以每秒10次的速率送往上位機（如圖2所示）。上位機運行的接口服務通過USB端口接收數據，并通過socket服務和http協議將其送往瀏覽器。這個模塊通過NodeJS實現，因此可以方便的運行于各種不同的系統中。最后通過瀏覽器中運行的網頁將實時接收到的傳感器數據以圖形方式動態的顯示出來。

在演示過程中將依次向學生講解系統結構設計、電路實現、控制程序的編制方法，以及接口服務器的原理以及網頁界面的實現方法。演示過程中讓學生改變室內燈光，并觀察LED和計算機界面中的顯示信息。這個演示應用可以方便的擴展為智能室內燈光調節系統，或者更改為根據室內燈光自動調節顯示器亮度的智能家庭助手系統。

2.燈光控制電路。計算機控制是現代電子產品的特征，在第一個實驗的基礎上，本演示增加了與計算機連接的雙向控制，演示了通過將計算機控制電路的過程。在演示過程中，可在課堂上直接在第一個電路的基礎上現場搭建本實驗的硬件部分。與第一個演示類似，本實驗仍分為燈光控制電路、接口服務和瀏覽器界面三個部分，如圖3所示。

電路部分增加了多個LED光源，以實現控制功能的演示。在瀏覽器、接口服務和電路之間增加了反向回路，使控制命令可以從網頁傳遞到電路。在演示過程中則反復強調系統結構設計、電路實現、控制程序的編制方法。由于本實驗采用網頁控制實際物理電路的特性，演示過程中可采用本地控制和遠程控制兩種方式。首先讓學生在本地的瀏覽器界面中控制電路中的各路LED，觀察LED和計算機界面中的顯示信息。然后讓學生在網絡上模擬異地控制，觀察物理電路中的燈光變化情況。這個演示應用可以方便的擴展為智能室內燈光調節系統，或者更改為根據室內燈光自動調節顯示器亮度的助手系統。

（二）實踐環節

實踐環節主要作用是鞏固學生對課堂內容的理解，使學生通過改變電路、改變控制程序和應用形式等不同手段發揮自身創造性，達到鍛煉學生思考和動手能力的目的。根據課程的時間可酌情安排元器件識別、電路板設計、制作、電路調試和實驗報告撰寫等訓練環節。

鍛煉學生思考和動手能力是實踐環節的重點，同時應向學生介紹現代電子產品的發展趨勢。例如，如何將微處理器和計算機技術引入家電設備后形成智能家居；如何將本節課提供的實驗系統原型擴展成為具有自動監測自身故障、自動測量、自動控制、自動調節，并具有遠程控制功能的現代集成控制系統。可以結合實際課堂上的移動設備控制的演示和多媒體演示，激發學生的學習興趣和能動性，鼓勵他們總結實驗心得，將本節課的內容用于感光燈、窗簾控制等與實際生活息息相關的產品制作中。

三、小結

從本門課程的教學實踐中可以看出，Arduino開源平臺應用簡單，但形式多樣，在課堂中使學生完全可以根據自己的興趣，創新制作一些電子模塊，然后運用編程語言進行交互。這套平臺具有可接受的成本和逐漸成熟的開源社區的支持，可以通過反復實驗提高學生創新能力和動手能力。從實驗安排中看，這兩個實驗保持的新穎性，其功能原型與當前最新的電子產品接近，在這兩個實驗的基礎上，可以進一步開發先進的智能家電和智能控制應用，通過網頁直觀的演示實踐過程，能夠大大提高學生對電子電路的學習興趣。通過新舊兩種課程的設置方案的對比，可以看出本方案更注重實踐和創新能力的培養，增加了設計電路、編寫程序、通過計算機端口讓電子設備與計算機互動，充分的把計算機和電路知識結合起來，通過課堂實踐發現新的課程安排，在課堂中學生積極性能更好的發揮其能動性。

電子實習為工科學生的實踐的重要一環，對培養學生的動手能力和創新能力具有重要作用。因此，我們要重視工程技術訓練中心在實踐課程中的安排，堅持以學生為中心，把教學重點從傳統的技能傳授轉變為培養學生的實踐能力和創新精神上來，培養適應社會和企業需要的新型工科人才。

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作者簡介：袁麗（1983-），女，上海大學機械工程與自動化學院，助理實驗師。